Применение CALS технологий в системах автоматизированного проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет

имени Г.Ф. Морозова»

Кафедра Вычислительной техники и информационных систем

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Инструментальные средства ИС»

на тему «Применение CALS технологий в САПР»

Студент ИС2-152- ОБ группы Холиков Я.Р.

Руководитель, к.т.н, доцент Зольников К.В.

Воронеж 2018



Оглавление

Введение

1. История CALS

2. Основные определения

3. Понятие CALS

4. История САПР

5. Классификация САПР

6. Структура САПР

7. Разновидности САПР

8. Задачи, решаемые при помощи CALS-технологий

Заключение

Библиографический список



Введение

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий.

Во-первых, автоматизация проектирования -- синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции, есть примеры применения мейнфреймов. Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows 2000/XP, языках программирования С, С++, Java и других, современных CASE технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из-за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из-за невысокого качества проектов.

Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 60-х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.

К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для САПР с различными степенями специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвященного основам САПР, более детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

Увеличение производительности труда разработчиков новых изделий, сокращение сроков проектирования, повышение качества разработки проектов - важнейшие проблемы, решение которых определяет уровень ускорения научно-технического прогресса общества. Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) опирается на прочную научно-техническую базу. Это - современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации.



1. История CALS

Впервые концепция CALS возникла в середине 70-х годов в оборонном комплексе США в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие в процессах заказа, поставок и эксплуатации средств вооружения и военной техники. Движущей силой явилась естественная потребность в организации «единого информационного пространства», обеспечивающего оперативный обмен данными между заказчиком (федеральными органами), производителями и потребителями военной техники. Данная концепция изначально базировалась на идеологии ЖЦ продукта и охватывала фазы производства и эксплуатации. На первоначальном этапе аббревиатура CALS расшифровывалась как Computer Aided Logistic Support - компьютерная поддержка поставок. Предметом CALS являлась безбумажная технология взаимодействия между организациями, заказывающими, производящими и эксплуатирующими военную технику, а также формат представления соответствующих данных.

CALS базировалась на результатах реализации программы Integrated Computer-Aided Manufacturing (ICAM) - программы интегрированной компьютеризации производства, реализованной в Министерстве обороны США. Цель этой программы состояла в повышении эффективности производства посредством применения компьютерных информационных технологий. Комплексное применение этих технологий в рамках программы ICAM потребовало унификации и стандартизации методов описания и анализа организационных и производственных систем. На основе уже имевшихся технологий структурированного анализа и проектирования систем SADT (Structural Analisis and Design Technology) было разработано семейство (более десяти) методов IDEF (I ntegrated DEF inition), ряд из которых был принят в качестве федеральных стандартов, а метод функционального моделирования IDEF0 принят в качестве стандарта CALS.

CALS-технологии, доказав свою эффективность, перестали быть прерогативой военного ведомства и начали активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта. Новая концепция сохранила аббревиатуру CALS, но получила более широкую трактовку Continuous Acquisition and Life Cycle Support - непрерывная поддержка ЖЦ продукта (изделия). Таким образом, возникшая в Министерстве обороны США идея, связанная с единой информационной поддержкой логистических систем, быстро превратилась в глобальную бизнес-стратегию перехода на безбумажную электронную технологию работы, повышения эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе ЖЦ продукта, за счет информационной интеграции и совместного использования информации на всех его этапах.

В 1987 году по инициативе 1100 ведущих представителей промышленности США был создан Американский Промышленный Управляющий Комитет в области CALS для координации работы различных организаций США в области CALS.

Работы по внедрению CALS-технологий велись в 2 этапа. На первом этапе (рубеж 90-х годов) основное внимание уделялось представлению в электронном виде технической документации. На этом же этапе была определена технология представления технической и конструкторско - технологической документации в так называемом «нейтральном» электронном формате. На втором этапе (начало 90-х годов), в рамках всемирного консорциума 25 ведущих технических организаций США, было достигнуто соглашение об использовании нового «нейтрального» стандарта описания данных ISO 10303 (STEP- St andart for the E xchange of P roduct Model Data). Сразу же после разработки стандарта STEP была начата разработка стандартов ISO 13584 (PLIB), ISO 15531 (MANDATЕ), предназначенных для описания и представления информации о компонентах и комплектующих изделия, производственно-эксплуатационной среды и обмена данными, которые имеют общую со STEP структуру и технологию построения. Эти стандарты заложили основу CALS-технологий.

В 1995 году в США был заключен меморандум по общему пониманию и кооперации в использовании стандарта нового поколения ISO 10303 (STEP). В меморандуме отмечено, что новый стандарт является ключевой технологией описания данных об изделии для мирового рынка. Этот стандарт обеспечивает описание физических и функциональных параметров изделия на протяжении всего его жизненного цикла. Меморандум, подписанный руководителями главных аэрокосмических компаний США, содержит обязательство участников использовать STEP в реализации CALS. Он подталкивает поставщиков, других участников аэрокосмической отрасли и продавцов ее технических систем к участию в разработке и внедрении STEP-технологии. В меморандуме указывается, что в настоящее время различные компании нуждаются в эффективном обмене информацией с их партнерами, заказчиками и поставщиками во всем мире. Для того, чтобы сохранить конкурентоспособность на мировом рынке, эти компании должны быть уверены, что обмен является совместимым, точным и своевременным. Используя эти международные стандарты, компании устраняют существовавшие при обмене информацией барьеры, что позволяет обеспечить максимальную гибкость при конструировании, производстве и логистической поддержке (поддержке поставок) продукции. Использование международных стандартов STEP дает возможность этим аэрокосмическим компаниям (и компаниям других отраслей) достигнуть новых, более высоких показателей качества и производительности, снижения стоимости продукции и сокращения времени выхода ее на рынок. Характерно, что рассматриваемый меморандум, заключенный главными аэрокосмическими компаниями, аналогичен с международным меморандумом автомобилестроительных компаний.

Аналогичные комитеты и, соответственно, проекты в области CALS были созданы и развернуты в других странах. Так, например, в Великобритании CALS стала известна с 1988 года. В 1991 году был сформирован Промышленный Совет Великобритании в области CALS. С 1993 года департамент торговли и промышленности Великобритании начал содействовать развитию CALS. В том же году было выпущено руководство по внедрению CALS. Свою задачу Промышленный Совет видит в продвижении и поддержке наилучших методов реорганизации предпринимательской деятельности так, чтобы компании Великобритании могли пользоваться преимуществами электронного обмена информацией. Самыми первыми предприятиями, начавшими применение CALS, являются: аэрокосмический комплекс, военно-промышленный комплекс, крупные нефтяные и нефтеперерабатывающие компании. Самыми первыми проектами в области CALS в Великобритании были проекты, связанные с организацией цепных поставок между «первопроходцами» в области CALS.

В Европе CALS также нашла достаточно широкое распространение. Cоздана Европейская Промышленная Группа в области CALS, созданы и создаются национальные программы по CALS, а также отдельные проекты по CALS, например такие, как PROSTEP, PISTEP.

НАТО уделяет значительное внимание вопросам CALS. Ведомство по вопросам CALS в структуре НАТО создано в 1994 году. В рамках данного ведомства осуществляются исследования, охватывающие: технические стандарты, функциональные мета модели, сетевую инфраструктуру, анализ рентабельности, принципы электронной коммерции, правовые вопросы и контрактное право.

Внедрение CALS набирает темпы и в Тихоокеанском регионе. Так, например, Промышленный Форум по CALS в Японии был создан в мае 1995 года. В рамках Промышленного Форума осуществляются различные проекты в области CALS. Два из них оцениваются особенно высокой вероятностью их реализации:

- национальный проект N-CALS (ассигнования 35.3 млн. долларов за три года);

- международный проект МАТ1С (ассигнования 17.7 млн. долларов за три года). система автоматизированный проектирование технология

В международном проекте МАТ1С участвуют Сингапур, Малайзия, Индонезия, Таиланд, Китай и Япония.

В настоящее время в мире действует более 25 национальных организаций, координирующих вопросы развития CALS-технологий, в том числе в США, Канаде, Японии, Великобритании, Германии, Швеции, Норвегии, Австралии, а также в рамках НАТО.

В России, хотя и с некоторым отставанием во времени от передовых индустриальных стран, начиная с середины 90-х годов, на CALS начинают обращать свое внимание специалисты различных отраслей промышленности. Создан Межведомственный Промышленный Совет по вопросам CALS при Миноборонпроме РФ. Его основными целями являются:

- развитие российской индустриальной инфраструктуры по поддержке эффективных связей и взаимного обмена между предприятиями при реализации стратегии CALS ;

- поддержка согласованных работ в области CALS по интеграции предприятий в целях повышения их эффективности и производительности;

- устранение возможных барьеров в процессе интеграции CALS-стандартов и технологий.

Одной из причин отставания в области CALS - технологий является отсутствие отечественной нормативной базы, регламентирующей основные принципы электронного ведения работ при проектировании, производстве, поставке и сервисном обслуживании изделия. Для организации и осуществления работ по стандартизации в области CALS-технологий (в соответствии с решением коллегии министерства экономики России) в рамках Госстандарта России в 1999 году создан Технический Комитет № 431 «CALS - технологии». В рамках ТК № 431 действует подкомитет № 2 «Представление данных и обмен данными об изделиях и процессах», организованный на базе НИЦ CALS - технологий «Прикладная логистика» и объединяющий специалистов ведущих отечественных предприятий. Работы по подготовке нормативных документов ведутся в соответствии с «Программой стандартизации в области CALS-технологий в 2000 - 2003 гг.», утвержденной Госстандартом России и рядом заинтересованных министерств и ведомств.

В настоящий момент CALS понимается как глобальная стратегия повышения эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе жизненного цикла продукта за счет информационной интеграции и преемственности информации, порождаемой на всех этапах жизненного цикла. Средствами реализации данной стратегии являются CALS-технологии, в основе которых лежит набор интегрированных информационных моделей: самого жизненного цикла и выполняемых в его ходе бизнес-процессов, продукта, производственной и эксплуатационной среды. Возможность совместного использования информации обеспечивается применением компьютерных сетей и стандартизацией форматов данных, обеспечивающей корректную интерпретацию информации.

2. Основные определения

В условиях постоянного и значительного усложнения инженерно-технических проектов, программ разработки новой продукции и роста наука емкости изделий конкурентоспособными окажутся предприятия, достигшие совершенства в управлении бизнесом, обладающие отлаженными процессами проектирования, производства, поставки и поддержки продукта, ориентированные на функционирование в условиях быстро меняющейся экономической ситуации и способные мгновенно реагировать на возникающие новые запросы рынка.

Такая цель не может быть достигнута частными, постепенными изменениями традиционных методов работы и точечным внедрением средств автоматизации. Предприятия должны провести кардинальное реформирование в сфере управления, опираясь на высокотехнологичные, положительно зарекомендовавшие себя стратегии организации современного бизнеса. Такой стратегией, принятой в настоящее время в качестве международного стандарта, является CALS.

CALS (Сontinuous Acquisition and Life Cycle Support) - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта. Это стратегия повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятий за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников ЖЦ продукта.

Жизненный цикл продукта, как его определяет стандарт ISO 9004-1, -- это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. Основные стадии жизненного цикла показаны далее на рисунках.

Процесс - это структурированный набор функций, охватывающий различные сущности и завершающийся глобальной целью (определение по ISO/CD 15531-1). По определению, приведенному в стандарте ISO 8402:1994, процесс - это совокупность взаимосвязанных ресурсов и деятельности, которая преобразует входящие элементы в выходящие. Ресурсами являются персонал, средства обслуживания, оборудование, технология, методология.

ЖЦ продукта присуще большое разнообразие процессов. Наиболее известные: производственный процесс, процесс проектирования, процесс закупок. Каждый из этих процессов, в свою очередь, состоит из технологических процессов и организационно-деловых процессов. Под технологическим процессом понимается часть производственного (или другого процесса), содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) последующему определению состояния предмета труда. Под организационно-деловыми процессами понимаются процессы, связанные с взаимодействием людей (подразделений, организаций). Все процессы ЖЦ взаимосвязаны.

Для общей характеристики этих процессов используется понятие «бизнес-процесс».

Бизнес-процесс - совокупность технологических и организационно-деловых процессов, выполняемая целенаправленно в рамках заранее заданной организационной структуры.

Бизнес-процессы могут быть разного масштаба: масштаба предприятия (в него вовлечены работники нескольких подразделений, например, снабжающих предприятие материалами и комплектующими), внутрицеховые, внутри лабораторные (например, изготовить деталь). Внутри одного бизнес-процесса часть составляющих его технологических и организационно-деловых процессов может быть организована в отдельный вложенный бизнес-процесс меньшего масштаба. Отдельные технологические и организационно-деловые процессы могут раскладываться на операции (законченные части процесса, выполняемые на одном рабочем месте - выписать накладную, составить договор), которые в свою очередь делятся на переходы (законченные части операции, выполняемые одними и теми же средствами - позвонить, записать, фрезеровать).

Бизнес-процессы также различаются по типу деятельности:

- основные бизнес-процессы (определяют основное направление деятельности предприятия: производство продукции, сервисное обслуживание, оказание услуг и т. п.);

- вспомогательные бизнес-процессы (процессы, связанные с решением внутренних задач предприятия по обслуживанию основных бизнес-процессов);

- бизнес-процессы управления (планирование деятельности предприятия, организация производства, контроль);

- бизнес-процессы сети (взаимодействие с поставщиками и потребителями).

Анализ бизнес-процессов позволяет по-новому взглянуть на работу предприятия, уточнить обязанности работников, оценить эффективность использования ресурсов, увидеть недостатки, скрытые в организационной структуре. С момента введения термина «бизнес-процесс» появилось понятие «реинжиниринг бизнес-процессов» (Business Process Reengineering, BPR), которое подразумевает фундаментальное переосмысление и перепроектирование бизнес-процессов предприятия с целью повышения эффективности его работы.

В общем случае ЖЦ необходимо рассматривать как совокупность ЖЦ конечного продукта и ЖЦ входящих в него компонентов, результатов деятельности субпоставщиков.

Рассмотрим определение CALS детальнее.

В дословном переводе аббревиатура CALS означает «непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла». Первая часть определения - «непрерывность поставок продукции» требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия заказчика и поставщика в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой, с учетом различных модернизаций, составляет десятки лет. Для обеспечения эффективности, а также сокращения затрат средств и времени, процесс взаимодействия заказчика и поставщика должен быть действительно непрерывным. Вторая часть определения CALS - «поддержка жизненного цикла» - заключается в оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации. Поскольку затраты на поддержку сложного наукоемкого изделия в работоспособном состоянии часто равны или превышают затраты на его приобретение, принципиальное сокращение «стоимости владения» обеспечивается инвестициями в создание системы поддержки ЖЦ.

Целью применения CALS-технологий, как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и пользования продуктом, является повышение эффективности их деятельности за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.

Предметом CALS являются технологии информационной интеграции, то есть совместного использования и обмена информацией об изделии (продукте), среде и процессах, выполняемых в ходе жизненного цикла продукта.

Основой CALS является использование комплекса единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации, обеспечение безопасности информации, юридические вопросы совместного использования информации (в том числе интеллектуальной собственности), использование на различных этапах ЖЦ автоматизированных программных систем (CAD/CAM/CAE, MRP/ERP, PDM и др.), позволяющих производить и обмениваться информацией в формате CALS.

Иногда термин CALS, отождествляется с различными Автоматизированными Системами Управления (АСУ) и компьютерными технологиями вообще. CALS, в отличие от ИАСУ и АСУП, охватывает все стадии ЖЦ

Информационное взаимодействие субъектов, участвующих в поддержке ЖЦ, должно осуществляться в едином информационном пространстве (ЕИП). Для разрушения коммуникационных барьеров и реализации концепции CALS необходимо создать ЕИП для всех участников ЖЦ изделия (в том числе и для эксплуатационников). ЕИП должно:

накапливать всю информацию об изделии;

быть единственным источником данных о нем (прямой обмен данными между участниками ЖЦ исключен);

формироваться на основе международных, государственных и отраслевых стандартов.

ЕИП создается с помощью программно-аппаратных средств, уже имеющихся у участников ЖЦ. В условиях отечественного производства лучше организовывать ЕИП в два этапа:

I этап -- автоматизация отдельных процессов ЖЦ изделия и представление данных на них в электронном виде;

II этап -- интеграция автоматизированных процессов и относящихся к ним данных.

ЕИП может быть создано для структур разного уровня: от отдельного подразделения до предприятия или корпорации.

В основе концепции ЕИП лежит использование открытых архитектур, международных стандартов и апробированных коммерческих продуктов обмена данными. Стандартизации подлежат форматы представления данных, методы доступа к данным и их корректной интерпретации. Стандарты являются основным строительным блоком CALS.

Информационная интеграция базируется на использовании:

- информационной модели ЖЦ продукта и выполняемых в его ходе бизнес-процессов;

- информационной модели продукта;

- информационной производственной и эксплуатационной среды.

3. Понятие CALS

CALS-технология -- это технология комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которой -- унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла. Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документацией. В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Соответствующие системы автоматизации назвали автоматизированными логистическими системами или CALS (Computer Aided Logistic Systems). Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, применяют и более соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры CALS -- Continuous Acquisition and LifeCycle Support.

Применение CALS позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологии CALS. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т.п. Ожидается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологии CALS.

Развитие CALS-технологии должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, при которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями.

4. История САПР

Англоязычный вариант названия - CAD, то есть Computer Aided Design. Изначально разработчики добивались плотного взаимодействия человеческих ресурсов и возможностей электронно-вычислительных машин. Путь достижения этой цели короток - существование платформ не длится и полвека. Условно весь период развития можно разбить на три части:

1970-е годы. В это время появилась уверенность, что проектирование теоретически подвергается компьютеризации. Сфера деятельности машины была невелика, в основном упор делался на возможности автоматического черчения. Такие программы получили название САЧ.

1980-е годы ознаменовались появлением микрокомпьютеров, поэтому все силы уходили на создание систем для них. Также этот период положил начало объемному 3D-моделированию с возможностью передачи данных.

1990-е годы окончили формирование базовых понятий САПРа и устранения ошибок и погрешностей. В частности, было убрано препятствие при передаче файла в одном формате на другую компьютерную систему. Когда производители пришли к единому образцу, применение платформы стало доступнее и популярнее.

С тех пор создатели только совершенствуют модели, укомплектовывают новыми функциями и облегчают работу с ними.

Можно назвать следующие ступени эволюции программы:

- работа с радиотехникой и электроникой на примитивном уровне в США, 50-е - начало 60-х годов;

- схематическое конструирование радиоэлектроники и интегральных схем в СССР, 60-е годы;

- первый шаг в развитии автоматизированного машиностроения - создание графической системы «Sketchpad» ученым Сазерлендом в 1963 г.;

- появление кривых линий и моделей неправильной формы - 1970 г.;

- в 1982 году увидел свет первый продукт компании «Autodesk» - AutoCAD, ставший первым и самым популярным САПРом для инженера.

Общепризнано, что одним из наиболее перспективных направлений применения вычислительной техники является внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) для разработки новых конструкция и изделий. Постоянно растущий уровень аппаратных средств и совершенствование программного обеспечения влекут за собою бурный переход от традиционных, ручных методов проектирования к новым компьютерным технологиям разработки и выполнения инженерной документации.

Как правило, основой САПР является графический редактор, при помощи которого создаются и редактируются чертежи, состоящие из примитивов (точек, отрезков, дуг, текстов). Примитивы могут быть объединены в блоки и многократно использованы при создании других чертежей, что колоссально повышает производительность труда инженера-проектировщика. Первые САПР позволяли автоматизировать процесс создания чертежей, генерируя их по некоторому набору исходных данных, которые подготавливались вручную, либо создавались другими программами, являясь результатами расчетов.

В последнее время все более утверждается другой подход к автоматизации инженерной деятельности, основанный на создании трехмерных геометрических представлений проектируемых объектов. Современные программы позволяют создавать и редактировать пространственные модели объектов практически неограниченной сложности, а аналитическое решение геометрических задач обеспечивает высокую достоверность. Использование математических моделей объектов позволяет производить различные расчеты, например прочностные, что еще больше сокращает расходы на разработку проектной документации. Бесспорно, эти особенности обеспечивают переход на качественно новый уровень проектирования.

5. Классификация САПР

По степени сложности объекта проектирования САПР делятся:

простые - до100 составных частей;

средней сложности - от 100 до 1000;

сложные - от 1000 до 10 000;

очень сложные - свыше 10 000 составных частей.

По уровню автоматизации проектирования САПР делятся:

низкоавтоматизированные (до 25% проектных работ автоматизировано);

среднеавтоматизированные (25%-50%);

высокоавтоматизированные (свыше 50%).

По комплексности автоматизации, под которой понимается число выполняемых этапов проектирования, САПР делятся на:

легкие;

средние;

тяжелые.

Рисунок 1 - Классификация САПР

Легкие (одноэтапные) - выполняется один этап проектирования, например разводка печатных плат, создание сборочного чертежа.

Примером легких САПР являются: AutoCAD, Компас, P-CAD). Они применяются для выполнения почти всех работ с двумерными чертежами и имеют ограниченный набор функций по трехмерному моделированию. С помощью этих систем выполняются порядка 90% всех работ по проектированию. Имеющиеся ограничения делают их не всегда довольно удобными. Типичная легкая САПР должна решать следующие задачи: производить геометрические построения; выполнять стандартное нанесение размеров; выполнять 3-х мерное моделирование; иметь возможность работы с библиотекой графических и текстовых объектов; работа с технической документацией.

Средние (многоэтапные) САПР - Занимают промежуточное положение между тяжелыми и легкими САПР, но при этом позволяющие выполнять 90% всех функций тяжелых, а по стоимости близки к легким.

Тяжелые САПР (комплексные) - выполняется несколько этапов проектирования, например, оформляется полная конструкторская документация на изготовление.

Эти системы, которые, во-первых, обеспечивают весь цикл создания изделия от концептуальной идеи до реализации, а во-вторых (и это самое главное), создают проектно-технологическую среду для одновременной работы всех участников создания изделия с единой виртуальной электронной моделью этого изделия. Эти САПР объединяют систем CAD/CAM/CAE, наиболее громоздки и сложны в работе, имеют значительную стоимость. Системы применяются для решения наиболее трудоемких задач - моделирования поведения сложных систем в реальном масштабе времени, оптимизации расчетов с визуализацией результатов. В состав системы входят как графические, так и модули для проведения расчетов и моделирования.

Количество уровней технического обеспечения. Одноуровневые САПР устанавливаются на одной ЭВМ и образуют автономное автоматизированное рабочее место (АРМ) -- программно-технический комплекс, предназначенный для автоматизации деятельности определенного вида. АРМ объединяет программно-аппаратные средства, обеспечивающие взаимодействие человека с компьютером.

Двухуровневые системы организуются для сложных, многоэтапных САПР. На АРМ выполняются отдельные этапы проектирования. АРМы объединены в сеть и работают под управлением сервера.



Рисунок 2 - Двухуровневая САПР

Роль сервера выполняет мощная ЭВМ с большим быстродействием. Сервер выполняет следующие функции:

управляет процессом проектирования;

решает наиболее сложные задачи с большим объемом вычислений;

содержит базы данных и выполняет поиск по запросам, поступающим со второго уровня, т. е. работает в архитектуре "Клиент - сервер".

Трехуровневая система используется для очень сложных САПР и образуется при объединении двухуровневых САПР, причем на верхнем уровне используется мощная мейнфреймовая ЭВМ.

Сейчас на базе двух- и трехуровневых систем начинают функционировать, виртуальные подразделения. Конструкторы, расчетчики и технологи могут обмениваться информацией на основе удаленного доступа через Интернет, т. е. пользователи географически разделены.

6. Структура САПР

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем (рис. 3). Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.



Рисунок 3 - Структура программного обеспечения САПР

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (PDM -- Product Data Management), управления процессом проектирования (DesPM -- Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения:

-- техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);

-- математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;

-- программное (ПО), представляемое компьютерными программами САПР;

-- информационное (ИО), состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также других данных, используемых при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД носит название банка данных (БнД);

-- лингвистическое (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;

-- методическое (МетО), включающее различные методики проектирования, иногда к МетО относят также математическое обеспечение;

-- организационное (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.

Теперь кратко разберёмся с назначением каждого компонента средств САПР.

Математическое обеспечение САПР. Основа - это алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение САПР. Среди разнообразных элементов математического обеспечения имеются инвариантные элементы-принципы построения функциональных моделей, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.

Программное обеспечение САПР. Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение делиться на общесистемное и специальное (прикладное) ПО. Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств, т. е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов, о представлено различными операционными системами. В специальном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.

Информационное обеспечение САПР. Основу составляют данные, которыми пользуются проектировщики в процессе проектирования непосредственно для выработки проектных решений. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений.

Техническое обеспечение САПР. Это создание и использование ЭВМ, графопостроителей, оргтехники и всевозможных технических устройств, облегчающих процесс автоматизированного проектирования.

Лингвистическое обеспечение САПР. Основу составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения - языки общения человека с ЭВМ.

Методическое обеспечение САПР. Под методическим обеспечением САПР понимают входящие в её состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Причем документы, относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Так в основном документы методического обеспечения носят инструктивный характер, и их разработка является процессом творческим.

Организационное обеспечение САПР. Этот пункт предписывает комплектование подразделений САПР профессионально грамотными специалистами, имеющими навыки и знания для работы с перечисленными выше компонентами САПР. От их работы будет зависеть эффективность и качество работы всего комплекса САПР (может даже всего производства).

7. Разновидности САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы -- ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами.

2. САПР для радиоэлектроники. Их названия -- ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) системы.

3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т.п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются CAE/CAD/CAM системы:

1. САПР функционального проектирования, иначе САПР-Ф или CAE (Computer Aided Engineering)системы.

2. Конструкторские САПР общего машиностроения -- САПР-К, часто называемые просто CAD системами;

3. Технологические САПР общего машиностроения -- САПР-Т, иначе называемые автоматизированными системами технологической подготовки производства АСТПП или системами CAМ (Computer Aided Manufacturing).

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР.

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения.

В настоящее время появились унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР, это ядра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph.

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления и т.п. Часто такие САПР относятся к системам CAE. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

8. Задачи, решаемые при помощи CALS-технологий

Моделирование жизненного цикла продукта и выполняемых бизнес-процессов. Это первый и очень существенный шаг к повышению эффективности организационной структуры, поддерживающей одну или несколько стадий ЖЦ продукта, -- моделирование и анализ ее функционирования.

Цель бизнес-анализа -- выявить существующее взаимодействие между составными частями и оценить его рациональность и эффективность. Для этого с использованием CALS-технологий разрабатываются функциональные модели, содержащие детальное описание выполняемых процессов в их взаимосвязи. Формат описания регламентирован CALS-стандартами IDEF и ISO 10303 AP208. Полученная функциональная модель не только является детальным описанием выполняемых процессов, но также позволяет решать целый ряд задач, связанных с оптимизацией, оценкой и распределением затрат, оценкой функциональной производительности, загрузки и сбалансированности составных частей, то есть вопросов анализа и реинжиниринга бизнес-процессов.

Методы функционального моделирования, например, с успехом могут быть использованы при создании систем обеспечения качества продукции . В этом случае в качестве функциональной модели могут быть описаны функции системы обеспечения качества продукции, регламентированных стандартами ISO серии 9000. Разработанная функциональная модель позволяет выявить логические ошибки, допущенные при построении системы обеспечения качества, уточнить распределение полномочий и ответственности, автоматически генерировать отчетные документы по структуре системы. Функциональная модель системы качества продукции описывает сеть процессов обеспечения качества продукции и их интерфейсы, связанные с ними обязанности, полномочия, процедуры и ресурсы, распределение обязанностей и полномочий подразделений и персонала предприятия. При моделировании системы качества также используются информационные модели.

Проектирование и производство изделия. Совместное, кооперативное проектирование и производство изделия может быть эффективным в случае, если оно базируется на основе единой информационной модели изделия (электронной модели изделия).

Разрабатываемая на данной фазе конструкторско-технологическая информационная модель базируется на использовании стандарта ISO 10303 (STEP). Созданная однажды модель изделия используется многократно. В нее вносятся дополнения и изменения, она служит отправной точкой при модернизации изделия. Модель изделия в соответствии с этим стандартом включает: геометрические данные, информацию о конфигурации изделия, данные об изменениях, согласованиях и утверждениях.

Стандартный способ представления конструкторско-технологических данных позволяет решить проблему обмена информацией между различными подразделениями предприятия, а также участниками кооперации, оснащенными разнородными системами проектирования. Использование международных стандартов обеспечивает корректную интерпретацию хранимой информации, возможность оперативной передачи функций одного подрядчика другому, который, в свою очередь, может воспользоваться результатами уже проделанной работы. Это особенно важно для изделий с длительным ЖЦ, когда необходимо обеспечить преемственность информационной поддержки продукта, независимо от складывающейся рыночной или политической ситуации.

Эксплуатация изделия. Известно, что объемы разрабатываемой документации для сложного наукоемкого изделия очень велики. Поэтому традиционное бумажное документирование сложных изделий требует огромных затрат на поддержку архивов, корректировку документации, а также снижает эксплуатационную привлекательность и конкурентоспособность изделия.

Решение проблемы заключается в переводе эксплуатационной документации на изделие, поставляемой потребителю, в электронный вид. При этом комплект электронной эксплуатационной документации - интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР) , электронные справочники и др. следует рассматривать как составную часть интегрированной информационной модели изделия. Электронная документация может поставляться на электронных носителях (например, на компакт-дисках) или размещаться в глобальной сети Интернет. Стандартизация гарантирует применимость такой электронной документации на любых компьютерных платформах.

Эксплуатационная документация может содержать информацию различных типов в соответствии со стандартами CALS: ISO 10303 (STEP), ISO 8879 (SGML), ISO 10744 (HyTime) и MIL-PRF-28001C -- для графической, текстовой и мультимедийной информации, MIL-PRF-28000A, MIL-PRF-28002C, MIL-PRF-28003A -- для векторных и растровых графических иллюстраций.

Важно отметить, что в электронный вид может быть преобразована эксплуатационная документация, созданная ранее без использования компьютерных систем. Для изделий, уже находящихся в эксплуатации длительный период и спроектированных традиционными методами, задача поддержки документации не менее актуальна. В качестве примера можно привести опыт проектов, выполняемых в ВМФ и ВВС США по массовому переводу миллионов страниц руководств и листов чертежей в стандартизованный электронный вид. Полученная электронная документация размещается в специальных хранилищах на базах ВМФ и ВВС или непосредственно у производителей и доступна через компьютерные сети. При этом используются современные технологии сканирования, распознавания текста, векторизации чертежей и схем, создаются электронные справочники на целые изделия и отдельные системы.

Что дают CALS-технологии

CALS рассматривается как комплексная системная стратегия повышения эффективности всех процессов ЖЦ промышленной продукции, непосредственно влияющая на ее конкурентоспособность. Применение стратегии CALS является условием выживания предприятий в условиях растущей конкуренции и позволяет:

- расширить области деятельности предприятий (рынки сбыта) за счет кооперации с другими предприятиями, обеспечиваемой стандартизацией представления информации на разных стадиях и этапах жизненного цикла. Благодаря современным телекоммуникациям, уже не принципиально географическое положение и государственная принадлежность партнеров. Новые возможности информационного взаимодействия позволяют строить кооперацию в форме виртуальных предприятий, действующих в течение ЖЦ продукта. Становится возможной кооперация не только на уровне готовых компонентов, но и на уровне отдельных этапов и задач: в процессах проектирования, производства и эксплуатации;

- за счет информационной интеграции и сокращения затрат на бумажный документооборот, повторного ввода и обработки информации обеспечить преемственность результатов работы в комплексных проектах и возможность изменения состава участников без потери уже достигнутых результатов;

- повысить «прозрачность» и управляемость бизнес-процессов путем их реинжиниринга, на основе интегрированных моделей ЖЦ и выполняемых бизнес-процессов, сократить затраты в бизнес-процессах за счет лучшей сбалансированности звеньев;

- повысить привлекательность и конкурентоспособность изделий, спроектированных и произведенных в интегрированной среде с использованием современных компьютерных технологий и имеющих средства информационной поддержки на этапе эксплуатации;



Заключение

На современных промышленных предприятиях абсолютно необходимы передовые информационные технологий. Они позволяют не только решать широкий круг задач в сфере автоматизации финансово-хозяйственной и управленческой деятельности, но и осуществлять комплексную автоматизацию основных технологических и производственных бизнес-процессов.

Потребности современного производства диктуют необходимость глобального использования информационных компьютерных технологий на всех этапах жизненного цикла изделия: от предпроектных исследований до утилизации изделия. Основу информационных технологий в проектировании и производстве сложных объектов и изделий составляют сегодня полномасштабные полнофункциональные промышленные САПР (CAD/CAM/CAE - системы). Активное использование во всем мире “легких” и “средних“ САПР на персональных компьютерах для подготовки чертежной документации и управляющих программ для станков с ЧПУ и сближение возможностей персональных компьютеров и “рабочих станций” в автоматизации проектирования подготовило две тенденции в разработке и использовании САПР, которые наблюдаются в последнее время:

применение полномасштабных САПР в различных отраслях промышленности для проектирования и производства изделий различной сложности;

интеграция САПР с другими информационными технологиями.

Эти тенденции позволяют говорить, что уже в самом ближайшем будущем эффективность производства будет во многом определяться эффективностью использования на предприятиях промышленных САПР.



Библиографический список

1. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для вузов: В 9 кн. под ред. И.П. Норенкова. -- М.: Высш. шк., 1986.

2. Б.Хокс. Автоматизированное проектирование и производство. М.:Мир, 1991 г.

3. А. В. Петров «Проблемы и принципы создание САПР». Москва. 1990 г.

4. Д. М. Жук «Технические средства и операционные системы САПР». Москва. 1986 г.

5. В. Г. Федорчук «Информационное и прикладное программное обеспечение САПР».

6. В. А. Вайсбург «Автоматизация процессов под готовки авиационного производства на базе ЭВМ и оборудования с ЧПУ». Москва. 1985 г.

...